Quelle est la vitesse du son?

Dans l'atmosphère terrestre, le vitesse du son il fait 343 mètres par seconde; ou un kilomètre à 2,91 par seconde ou un mille à 4,69 par seconde.

La vitesse du son dans un gaz idéal ne dépend que de sa température et de sa composition. La vitesse dépend peu de la fréquence et de la pression dans l’air ordinaire, s'écartant un peu du comportement idéal.

Quelle est la vitesse du son?

Habituellement, la vitesse du son fait référence à la vitesse à laquelle les ondes sonores traversent l’air. Cependant, la vitesse du son varie selon la substance. Par exemple, le son voyage plus lentement dans les gaz, se déplace plus rapidement dans les liquides et plus rapidement dans les solides.

Si la vitesse du son est de 343 mètres par seconde dans l’air, cela signifie qu’il voyage à 1 484 mètres par seconde dans l’eau et à environ 5 120 mètres par seconde en fer. Dans un matériau exceptionnellement dur, comme le diamant par exemple, le son voyage à 12 000 mètres par seconde. C'est la vitesse la plus élevée à laquelle le son peut voyager dans des conditions normales.

Les ondes sonores dans les solides sont composées d'ondes de compression - comme dans les gaz et les liquides - et d'un type d'onde différent appelé ondes de rotation, uniquement présent dans les solides. Les ondes de rotation dans les solides voyagent généralement à des vitesses différentes.

La vitesse des ondes de compression dans les solides est déterminée par la compressibilité, la densité et le module d'élasticité transversal du milieu. La vitesse des ondes de rotation est déterminée uniquement par la densité et le module d'élasticité transversale du module.

Dans un fluide dynamique, la vitesse du son dans un milieu fluide, gazeux ou liquide, sert de mesure relative de la vitesse d'un objet se déplaçant dans le milieu.

Le rapport entre la vitesse d'un objet et la vitesse de la lumière dans un fluide s'appelle le nombre de mars d'un objet. Les objets qui se déplacent plus rapidement que le 1 er mars sont appelés des objets se déplaçant à des vitesses supersoniques.

Des concepts basiques

La transmission du son peut être illustrée à l'aide d'un modèle constitué d'une série de billes interconnectées par des fils.

Dans la vraie vie, les balles représentent les molécules et les fils représentent les liens entre elles. Le son traverse le modèle en comprimant et en élargissant les fils, en transmettant de l'énergie aux billes voisines, qui à leur tour transmettent l'énergie à leurs fils et ainsi de suite.

La vitesse du son à travers le modèle dépend de la rigidité des fils et de la masse des billes.

Tant que l'espace entre les billes est constant, les fils plus raides transmettent l'énergie plus rapidement et les balles avec plus de masse transmettent l'énergie plus lentement. Des effets tels que la dispersion et la réflexion peuvent également être compris avec ce modèle.

Dans tout matériau réel, la rigidité des fils s'appelle le module élastique et la masse correspond à la densité. Si toutes les autres choses sont égales, le son voyagera plus lentement dans les matériaux spongieux et plus rapidement dans les matériaux plus rigides.

Par exemple, le son traverse le nickel 1,59 fois plus vite que le bronze car la rigidité du nickel est supérieure à la même densité.

De même, le son voyage 1,41 fois plus vite dans un hydrogène léger (protium) que dans un hydrogène lourd (deutérium), car le gaz lourd a des propriétés similaires mais a une densité deux fois plus grande.

Dans le même temps, le son de type "compression" se déplacera plus rapidement dans les solides que dans les liquides et voyagera plus rapidement dans les liquides que dans les gaz.

Cet effet est dû au fait que les solides ont plus de difficulté à se comprimer que les liquides, tandis que les liquides sont plus difficiles à comprimer que les gaz.

Ondes de compression et ondes de rotation

Dans un gaz ou un liquide, le son consiste en des ondes de compression. Dans les solides, les ondes se propagent à travers deux types d'ondes différents. Une onde longitudinale est associée à la compression et à la décompression dans la direction du déplacement; c'est le même processus dans les gaz et les liquides, avec une onde de compression analogue dans les solides.

Seules les ondes de compression existent dans les gaz et les liquides. Un autre type d'onde, appelé onde transversale ou onde de rotation, ne se produit que dans les solides, car seuls les solides peuvent supporter des déformations élastiques.

En effet, la déformation élastique du support est perpendiculaire à la direction de déplacement de l'onde. La direction de la rotation déformée est appelée polarisation de ce type d’onde. Généralement, les ondes transversales se présentent sous la forme d'une paire de polarisations orthogonales.

Ces différents types d'ondes peuvent avoir des vitesses différentes à la même fréquence. Par conséquent, ils peuvent atteindre un observateur à différents moments. Un exemple de cette situation se produit dans les séismes, où les ondes de compression aiguës arrivent en premier et les ondes transversales oscillantes arrivent quelques secondes plus tard.

La vitesse de compression des ondes dans un fluide est déterminée par la compressibilité et la densité du milieu.

Dans les solides, les ondes de compression sont analogues à celles que l'on trouve dans les fluides, en fonction de la compressibilité, de la densité et de facteurs supplémentaires du module d'élasticité transversal.

La vitesse des ondes de rotation, qui ne se produit que dans les solides, est déterminée uniquement par le module d'élasticité transversale et la densité du module.

Références

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